[发明专利]高次曲面空间位置自动定中系统和方法

权利要求书

1.高次曲面位置自动定中方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1.初始化高次曲面定中单元；

步骤2.将高次曲面光学元件移动至高次曲面定中单元下，并且能够在高次曲面定中单元的CCD上得到十字叉丝像；

步骤3.沿Z方向进行扫描，并在扫描的过程中利用图像熵清晰度评价函数找到最清晰的十字叉丝像；

步骤4.判断十字叉丝为表面像还是球心像，具体判断如下：

驱动X向导轨和Y向导轨进行微调，观察视场中的十字叉丝是否随之移动，如果跟随导轨移动则得到高次曲面光学元件表面上某一点对应的曲率中心的球心像，并跳转至步骤5；反之则得到高次曲面光学元件表面上某一点的表面像，驱动Z向调节立柱继续进行扫描，并在扫描的过程中再次找到最清晰的十字叉丝像；

步骤5.驱动X向和Y向导轨调节高次曲面光学元件的位置使十字叉丝像在CCD的视场中心，从而该十字叉丝像所对应的高次曲面光学元件表面点的曲率中心与高次曲面定中单元的光轴重合；

步骤6.记录上述曲率中心点的坐标为O_1w(x_1w,y_1w,z_1w)，驱动X向和Y向导轨进行较小位移的调整，使CCD视场内出现另一个不在视场中心且模糊的十字叉丝像，重复步骤3-步骤5，并且得到第二个曲率中心点的坐标为O_2w(x_2w,y_2w,z_2w)；

步骤7.建立高次曲面二次光轴空间位置计算模型，计算得到经过曲率中心点O_1w和O_2w的空间直线方程为：

即高次曲面光学元件光轴的空间方程；高次曲面自动定中系统中自旋机构的空间方程为x＝x_rw,y＝y_rw，其中的x_rw、y_rw是由最小二乘最佳圆拟合得到的自旋机构的自旋轴二维位置；计算得到自动定中系统中XY二维平移调整机构的调整量，对应Y轴平移机构的调整量Δy，X轴平移机构的调整量Δx：

同时，计算得到自动定中系统中绕XY的二维摆动机构的调整量，对应绕Y轴摆动机构的调整量Δβ，绕X轴摆动机构的调整量Δγ：

步骤8.按照步骤7得到的四维调整量进行相应机构的位置和姿态调整；

步骤9.利用光学装调中的旋转测量法测量高次曲面光学元件光轴与自动定中系统中自旋机构转轴间的最大偏差；

步骤10.对最大偏差进行判断。

2.根据权利要求1所述的高次曲面位置自动定中方法，其特征在于步骤9所述的最大偏差的具体求解如下：

每驱动自旋机构旋转30°后，CCD采集一幅十字叉丝像，随着自旋角度的不同，十字叉丝像在CCD视场上的位置也不同，大体轨迹为一个圆，其中圆心就是自旋转轴所在的位置；通过最小二乘法最佳圆拟合方法拟合十字叉丝像的中心的运动轨迹，从而得到运动轨迹的圆心；计算每幅十字叉丝像的中心到圆心的距离，其中最大距离即为高次曲面光学元件光轴与自动定中系统的自旋机构转轴间的最大偏差。

3.根据权利要求2所述的高次曲面位置自动定中方法，其特征在于若最大偏差在容许误差范围内，则完成高次曲面定中单元光轴、高次曲面光学元件光轴和自动定中系统中的自旋机构转轴的三轴轴系一致性调整，驱动高次曲面定中单元沿Z向扫描，得到清晰的高次曲面光学元件顶点的表面像，具体判别方法如步骤4所述；继续驱动其沿Z方向向下，直到CCD视场中心再次出现清晰的十字叉丝像，该像即为高次曲面光学元件顶点曲率中心所对应的球心像，记录此时坐标即为高次曲面光学元件顶点曲率中心坐标，记录Z轴从表面像移动至球心像的距离，即为高次曲面光学元件顶点曲率半径。

4.根据权利要求2所述的高次曲面位置自动定中方法，其特征在于若最大偏差大于最大容许误差，则说明高次曲面光学元件的光轴与自旋转轴不重合，此时先通过调节自动定中系统的XY二维平移调整机构使得十字叉丝像的中心移动至轨迹圆圆心，然后跳转至步骤9。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的高次曲面位置自动定中方法使用的系统，其特征在于该系统有八个维度，从上往下依次包括高次曲面定中单元、Z向调节立柱、自定心夹持机构、二维摆动机构、XY二维平移机构、自旋机构、底部Y向导轨和X向导轨；高次曲面定中单元设置在Z向调节立柱上，自定心夹持机构设置有待测元件，二维摆动机构包括Y轴摆动机构和X轴摆动机构，XY二维平移机构包括Y轴平移机构和X轴平移机构；自定心夹持机构与二维摆动机构相连接，二维摆动机构根据光学结构参数，利用两个可达微米量级定位精度的精密导轨，对应配合两个步进电机的驱动，使步进电机在接收到程序指令后对绕XY的二维摆动机构进行定量的角度调整，即对Y轴摆动机构和X轴摆动机构分别进行定量的角度调整；二维摆动机构下方连接有XY二维平移机构，同理，XY二维平移机构也有对应的电机控制模式进行定量的位移调整；自旋机构与XY二维平移机构相连，使高次曲面光学元件能够进行自旋转动，方便对待测元件每隔已知角度采集十字叉丝像用来确定自旋轴的位置，底部的Y向导轨和X向导轨是通过转接板与自旋机构下方相连固紧，Y向导轨和X向导轨均可达微米量级定位精度的精密平移；从而实现对自旋机构至XY二维摆动机构的整体移动。